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結構特征分級的有限元分析與優化

發布于:2021-12-06 21:14
有限元分析

       由于人類可利用的資源是有限的,因此,優化結構占據越來越重要的地位,已經陸續應用到建筑、造船、化工、冶金、交通、航空、機械制造、自動控制等領域.結構優化的目的是以最少的材料,最低的造價,最簡單的工藝,實現結構的最優性能,包括強度、剛度、穩定性等目標。實踐表明,將有限元分析優化方法應用于設計,不僅可以大大地縮短設計周期,顯著地提高設計質量,還可以解決傳統設計方法無法解決的復雜設計問題。
       隨著結構優化技術的發展以及與三維CAD技術的有機結合,傳統的機械結構設計流程正在悄然改變。在產品設計中,如能在產品設計中的各個階段靈活運用各種結構優化技術,對于輕量化設計和創新設計具有非常重要的經濟意義。張軍指出CAE仿真分析在產品設計中的重要意義,提出企業應加強數字化設計;魏軍英討論了現代設計理論和方法在煤礦機械設計中的應用前景。
       CAE (Computer Aided Engineering)是以計算機為工具,采用數值計算方法對產品結構的性能進行數值模擬,獲取結構的強度、剛度、穩定性和疲勞壽命等性能指標,優化結構的設計,為產品研發提供指導,為解決實際存在的工程問題提供改善的依據。隨著計算機技術的提高,在工程模擬仿真領域以及汽車、飛機、輪船、醫療設備、橋梁、消費類電子和機械等復雜產品的設計制造中,這些制造業的企業可以通過CAE縮短產品的面世時間、節約成本、提升產品性能等。
       有限單元法是與彈性力學密不可分的,彈性力學是彈性體的力學問題的解析解法,而有限單元法是彈性體力學問題的數值解法之一,且應用靈活方便,適用范圍廣泛。有限元法在工程中最主要的應用形式是結構的優化,如結構形狀的最優化,結構強度分析,振動分析等等。有限元法在超過50年的發展歷史中,解決了大量的工程實際問題,創造了巨大的經濟效益。有限元法的出現,使得傳統的基于經驗的結構設計趨于理性,設計出的產品越來越精細,可靠性越來越高;李海鵬等人以I-DEAS軟件為分析工具,提出了既能夠提高其承載能力又能夠滿足生產工藝要求的“井”字形加強筋強化檢修孔蓋。張錫愛應用數學規劃法對邊坡壓實機的構件進行了結構優化設計,使整機在具有較好的穩定性的前提下,重量減輕12%。王洪欣采用人工神經網絡以及遺傳算法對龍門起重機結構系統進行優化,獲得很好的設計效果。
       隨著有限元計算建模理論、技術及分析軟件的發展,對實體進行有限元建模的研究不斷深入,并取得長足的進展。從最初的大量采用板單元或板、梁、簡單實體單元的組合方式,發展到目前廣泛采用的三維六面體、四面體單元,單元個數從很粗糙的以百計發展到較為精細的數以十萬計。有限元分析的精度不斷提高,也為本文所研究的軌座實體的拓撲優化和強度分析打下了堅實的基礎。目前有限元建模主要存在兩個問題:1)模型的規模與計算的精度之間的協調,要想提高分析精度,就需要精確的模型,這樣問題的規模就非常大,對于計算條件的要求非常高,而且建模和計算所耗用的時間很長。而過度的簡化,則有損分析的精度。目前在網格的密度與計算精度之間沒有可供參考的量化關系,只能通過試驗驗證和局部模型修改的方法來進行處理。如何合理地簡化模型,簡化后模型如何修改,才能與實際吻合,成為研究中需要解決的問題;2)邊界約束條件的處理。


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